大跨度偏压浅埋连拱城市隧道设计关键节点研究

近年来，城市交通建设发展迅速，城市用地也愈发紧张。受线路选线、地形条件、地质条件、周边环境及隧道选型等因素限制，具有占地面积小、挖方量小、线形流畅、线路布线方便、运营安全等特点的连拱隧道越来越多地被广泛应用。同时，由于城市隧道土体紧张、修建环境较为复杂、拆迁工程量难度大，以及连拱隧道具有的埋深浅、跨度大、受雨季地表水影响大、洞口易出现偏压作用等特点，给大跨度偏压浅埋连拱隧道施工增加了难度，土体难以形成拱效应，易造成地表塌陷或塌方，影响隧道施工安全，并对周围环境造成极大危害。从目前国内已建成的连拱隧道工程来看，施工过程中均不同程度地出现了坍塌、衬砌大面积裂缝、衬砌接头处严重渗漏水等问题[1]-[7]。因此，为克服浅埋偏压地质条件对隧道施工影响、降低施工事故发生概率、确保施工安全顺利进行，对大跨度偏压浅埋连拱城市隧道设计关键节点进行研究、优化其设计与施工方案，就显得十分必要。

本文以夏鹃路下穿智慧公园隧道工程为例，从隧道结构设计、进出洞方案、中间镂空段设计、施工方案等关键节点方面进行分析，并进行针对性设计，以期提供安全合理的隧道设计参数及方案，确保工程顺利实施，也为今后类似项目提供参考和借鉴。

1.工程概况

1.1 工程简介

梅溪湖二期地处岳麓副中心，位于长沙市岳麓片区的西侧。夏鹃路道路工程位于梅溪湖国际新城二期规划区域内的中轴线处，南北走向，北起红枫路、南至梅溪湖路西延路，是贯通金桥枢纽和大王山的城市主干道，是长沙市西部片区南北干线路网的重要组成部分。

图1 夏鹃路下穿智慧公园隧道位置示意图

图2 夏鹃路下穿智慧公园隧道效果图

图3 隧道纵断面图

智慧公园位于夏鹃路中段、雪松路与龙柏路之间，山体起伏较大，隧道南北两端山体坡度均较为陡峭，高差达53m，山峦起伏、植被茂盛。由于受到环境保护要求、夏鹃路控制规划用地红线及道路断面的限制，采用连拱隧道下穿智慧公园山体，北侧与规划雪松路相接，南侧与龙柏路相接。该隧道工程段的建成，有利于打通智慧公园山体对梅溪湖二期区域的隔断，实现夏鹃路南北全线贯通，加强梅溪湖国际新城二期南北片区的有效连接。

图4 隧道纵断面设计图

图5 连拱隧道计算模型图

图6 轴力图/kN

图7 弯矩图/kN·m

夏鹃路下穿智慧公园隧道工程，两侧接线道路隧道部分（雪松路～龙柏路）、夏鹃路与雪松路交叉口。工程起讫桩号为K1+931.453～K2+520，全长588.547m，其中隧道全长320m、暗埋段长280m。道路等级为城市主干道，双向八车道，设计时速50km/h。

1.2 工程地质

根据勘察结果，场地内分布的地层主要有植物层、第四系沉积淤泥层、第四系残积粉质黏土层，下伏基岩为元古界泥质、砂质板岩。除ZK2+216.0～ZK2+281.0、YK2+214.0～YK2+258.0区段围岩等级为Ⅳ级，其余区段均为Ⅴ级。

拟建出洞口里程K2+280～K2+460右侧段为鱼塘一及五眼塘，隧道出口标高低于鱼塘现地表水面标高。地下水主要为孔隙水和基岩裂隙水。基岩裂隙水主要赋存于强风化泥质板岩及砂质板岩中，稳定水位深度为4.60m-29.50m。

2.项目特点

隧道受城市规划用地、地形地质条件、道路断面限制等因素制约，隧道具有以下特点：

一是大跨度、超浅埋、偏压、软弱围岩：车行隧道为双向八车道连拱隧道，单洞跨径达14.7m，属超大跨径暗挖连拱隧道，覆土厚度较薄，最深约24m，且偏压严重，尤其洞口段、中间镂空段。围岩以全风化～强风化泥质、砂质板岩为主，属软弱围岩，自稳能力较差，为Ⅴ级围岩。

二是隧道覆土厚度变化大，中间存在镂空段：由于山体起伏，隧道覆土厚度变化大，隧道中间存在镂空段，加之边仰坡影响，给进、出洞设计及施工带来困难。

三是横断面类型多样：由于隧道短、地质条件复杂、大跨浅埋偏压的影响，需设置横断面类型多样，有明洞、半明半暗、暗埋等。

四是国内相似案例经验少：该隧道目前是国内首例大跨、浅埋、偏压、连拱隧道群设计，相关设计及施工案例经验积累少，设计、施工方案难度大。

3.关键节点分析及解决措施

3.1 连拱隧道结构设计分析

隧道横断面与夏鹃路道路断面保持一致，保留人非通行空间，同时为减小总跨径，将人非与行车隧道分离，整体断面形式为“小间距＋连拱＋小间距”的四洞隧道群，其中，车行隧道为连拱隧道，两侧为人非隧道。连拱隧道采用防排水较好的三层复合式曲中墙，并根据类似工程经验类比[8]-[11]，确定曲墙四心圆拱的内轮廓断面，其相关参数分别为：R1=9025mm；R2=6080mm；R3=1900mm；R4=25173mm。

表1 隧道复合式衬砌支护参数

为验证隧道结构方案的合理性，采用荷载-结构法，选取偏压较为严重的典型断面，利用有限元计算软件同济曙光软件计算连拱隧道结构内力，分析其结构安全性。选取断面左侧行车隧道埋深15.46m、右侧行车隧道埋深4.70m。计算时Ⅴ级围岩重度19kN/m3，地层弹性抗力系数取150 MPa/m，二衬钢筋砼重度25kN/m3，弹性模量31.0GPa，二衬承担所有荷载。

受偏压影响，左侧隧道结构安全受影响更大，左隧道左拱腰、拱顶、右拱腰位置，弯矩分别为3598.26kN·m、2713.97kN·m、3662.50kN·m，对应轴力分别为719.74kN、771.22kN、679.10kN，计算安全系数分别为3.0、3.2、3.1，满足设计规范中安全储备[12]。

3.2 进出洞方案分析

隧道南北两侧的洞口均位于严重的偏压地段，开挖造成的边坡高度均在15m-22m 范围，边坡稳定性存在较大的风险。遵循隧道进出洞“早进晚出”的原则，比选左、右线隧道“同时进洞”与“先后进洞”两种方案，其中，“先后进洞”方案目工程案例丰富，可借鉴的经验较多、能有效减小挖方量与边仰坡坡高，减小边坡稳定性风险，对自然景观破坏较小等优点，且隧道属于市政道路隧道，对洞口的安全性与美观协调性有着较高的要求，综合分析采用“先后进洞”方案，左右洞成洞位置错位13m，故在隧道进出洞处为“一明一暗”断面。同时为保证安全顺利进洞，采用φ108超前大管棚作为辅助措施进洞，大管棚长度为40m，大管棚的注浆作用可提高围岩自身承载能力，改善结构受力条件。设计时考虑在该段采用C30砼偏压挡墙和回填土反压措施，减小偏压对隧道结构安全影响。

利用同济曙光有限元软件，采用地层结构法，建立二维有限元模型计算分析，模型边界范围左侧选取隧道群总跨度的2.5倍，隧道底部选取单个隧道跨度的3倍，其余边界按照地形及设计选取。模型左右侧边界条件为水平位移约束，底部竖向位移约束，上部自由边界。土层、中隔墙、初衬采用平面单元，连拱隧道、人非隧道二衬采用梁单元。超前支护措施等效加固圈模拟，采用摩尔-库伦准则。围岩及支护参数分别根据勘察报告及设计规范选取。

图8 轴力图/ kN

图9 弯矩图/kN·m

由于偏压作用影响，左侧隧道比右侧隧道安全系数较小，左侧行车隧道最小安全系数为4.1，位于左拱腰位置；右侧行车隧道最小安全系数为4.7，位于左侧拱腰、靠近拱顶位置；左侧人非隧道最小安全系数为3.9，位于左拱腰位置，右侧人非隧道最小安全系数为12.3，位于拱顶位置。隧道结构安全均满足设计规范要求。

3.3 镂空段设计分析

由于隧道覆土厚度变化较大，导致线路中间位置存在镂空段、边仰坡稳定性问题。综合施工便利性、经济性、合理性等分析，该段设计采用明洞方案，周边边仰坡采取φ25锚杆+面层内嵌钢筋网+100mm 厚喷射混凝土加固处置措施。采用理正边坡计算软件分析边坡稳定性。结果为潜在圆弧滑动面时，安全系数为1.33，潜在折线滑动面时，安全系数为1.45，块体滑动验算时；安全风险系数为1.33，均满足规范及设计要求，并对明洞隧道结构进行验算，受边坡的影响，右侧隧道安全系数相对低，弯矩控制值为265.47kN·m，1541.14kN，最小安全系数为8.2，满足规范要求。

3.4 施工方案设计

由于隧道群在国内的施工案例比较罕见，结合福银高速金鸡山隧道施工经验并根据隧道施工理论分析，确定先将连拱隧道中导洞的施工并贯通，然后分别进行东西两侧人非隧道的施工并贯通，最后再进行车行连拱隧道的施工。

（1）洞身段方案

隧道洞身段均为浅埋偏压，围岩稳定性，采用双侧壁导坑法施工，导洞上台阶一般开挖进尺0.5m-1.0m，不宜太长，下台阶长度为开挖洞径的1.5倍，具体施工步骤如下：

①～③ 中导洞辅助措施施工及开挖，中导洞初期支护，中墙基底加设小导管，浇筑中隔墙。

图10 洞身施工方案图

④～⑧ 施作超前支护，开挖左（右）洞外侧导洞上台阶，并施作其第一层初期支护、临时支护，施作锁脚锚杆，开挖左（右）洞外侧导洞下台阶，并施作其第一层初期支护、临时支护。

⑨～⑪ 施作超前支护，开挖左洞内侧导洞上台阶，施作其第一层初期支护、临时支护，施作锁脚锚杆，开挖左洞内侧导洞下台阶，施作其第一层初期支护、临时支护。

⑫～⑮ 施作超前支护，开挖右洞内侧导洞上台阶，施作其第一层初期支护、临时支护，施作锁脚锚杆；开挖右洞内侧导洞下台阶，施作其第一层初期支护、临时支护。

⑯～㉔ 开挖左洞中部上台阶，施作其第一层初期支护，开挖左洞中部中台阶，施作左洞中部临时支护；开挖左洞中部下台阶，施作其第一层初期支护，施作左洞仰拱第二层初期支护，施作左洞仰拱二次衬砌。

㉕～㉛ 开挖右洞中部上台阶，施作其第一层初期支护，开挖右洞中部中台阶，施作右洞中部临时支护；开挖右洞中部下台阶，施作其第一层初期支护，施作右洞仰拱第二层初期支护；施作右洞仰拱二次衬砌。

㉜～㊲ 先拆除左洞临时支护，施作左洞第二层初期支护，施作左洞防排水设施，整体浇筑左洞二次衬砌，右洞工序同左洞。

（2）洞口与明洞施工方案

洞口段开挖施工前必须施作好洞顶截水沟；边坡防护必须与边坡开挖同步进行，开挖到成洞面附近时要求预留核心土体，待洞口长管棚施工完成后再开挖进洞。

一明一暗段施工时，采用台阶法对暗洞开挖。先进行中导洞开挖、临时支护、衬砌及中导洞侧边回填，接着对暗洞大管棚施工，上台阶开挖并初期支护，完成后对明洞侧山体开挖，并采取有效支护措施，暗洞下台阶开挖及其初期支护，仰拱封闭。待暗洞初期支护封闭后对暗洞二衬施工，并开挖后对明洞侧偏压挡墙下部进行浇筑及明洞外露段二衬衬砌施工。最后进行挡墙上部浇筑采取傍山隧道逆做法进行施工以及洞顶回填。

4.结语

通过对夏鹃路下穿智慧公园隧道的结构设计、进出洞方案设计、镂空段设计、施工方案设计关键节点深入分析，并做针对性设计，得出以下结论：

隧道断面形式为小间距＋连拱＋小间距的四洞隧道群，其中，车行隧道为连拱隧道，两侧为人非隧道。连拱隧道采用三层复合式曲中墙，其中，初期支护采用C25喷射砼+φ22组合锚杆+钢支撑，二衬采用700mm 厚C30钢筋砼，辅以大管棚或超前小导管辅助措施，计算验证设计方案满足要求。

隧道进出洞采用“先后进洞”方案，设置“一明一暗”断面。施工采用长度为40m 的φ108 超前大管棚作为辅助措施进洞，并在该段采用C30 砼偏压挡墙和回填土反压措施。

镂空段采用明洞方案，并对周边边坡采取φ25锚杆+面层内嵌钢筋网+100mm 厚喷射混凝土加固处置措施，边坡稳定性及结构安全验算均满足要求。

先连拱隧道中导洞施工并贯通，再进行两侧人非隧道施工并贯通，最后进行车行连拱隧道的施工。车行连拱隧道采用双侧壁导坑法施工，人非隧道采用台阶法施工。